CN116247920A - 功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路。其中，功率因数校正电路包括补偿电路和驱动电路。补偿电路的输入端用以耦接升压电路中的电感以获取表征电感电流的采样峰值电流信号，补偿电路用于根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号，斜坡信号的斜率与采样峰值电流信号成正相关。驱动电路的输入端耦接补偿电路的输出端，驱动电路用于根据斜坡信号和表征负载大小的补偿电压输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管。本发明提出的一种功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路，通过自适应的补偿调节，有效提升了升压电路的功率因数，并能有效适用于不同的负载条件。

Description

功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种开关电源的控制技术，特别涉及一种功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路。

背景技术

在开关电源的电路设计时，开关电源的功率因数将会作为一项重要指标来衡量开关电源性能的优劣。功率因数PF可以表征电力被有效利用的程度，功率因数PF越低，说明用电设备的无功功率越大，电能利用率低，输入电流谐波分量较大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，还将导致用电设备损坏。因此，需要选用功率因数校正电路来提升开关电源的功率因数PF。

如图1所示为升压电路的电路结构示意图，在传统的临界导通工作模式中，通常只需要控制主开关管Q1的导通时间为固定导通时间，即可实现功率因数校正功能，理想的功率因数校正功能主要是控制输入电流和输入电压成线性关系。图2给出了主开关管Q1的驱动信号(即PWM信号)和电感电流IL。如果此时主开关管Q1的固定导通时间为Ton，则电感峰值电流Ipk＝Vin*Ton/Lm。其中，Vin为输入电压(可以是整流桥的输出电压，即桥后电压)，Lm为电感的感量。当升压电路工作在临界导通工作模式时，电感平均电流Iin＝Ipk/2＝Vin*Ton/(2*Lm)。显然对于固定的Ton和电感Lm而言，输入电流Iin和输入电压Vin成线性关系，可满足开关电源的功率因数矫正需求。但是上述计算中忽略了在谐振时存在电感电流小于零的部分。对于较大的电感峰值电流Ipk而言，忽略电感电流小于零的部分对输入电压Iin的计算影响不大。但是当开关电源工作在输入电压谷底位置时，这个电感电流的负向电流对电感峰值电流的影响很大，会直接造成总谐波失真的恶化。如图3可知，在越接近谷底位置(例如图3中的t2时刻)，负向谐振电流对输入电压Iin的影响越大。在谷底位置附近，负向谐振电流几乎和电感峰值电流Ipk相同，使得实际的工作电流接近于零，而不是理想的Ipk/2，从而造成交越失真严重，影响到总谐波失真波形。

为了解决交越失真的问题，可以采用直接增加一个最小峰值电流限制的方式，这样谷底位置的峰值电流不会太低，以此增加谷底的输入电流。电感电流IL在谷底位置由于最小峰值电流的限制，不会因为输入电压降低而降低，同时输入电流在谷底位置会有一定的校准，这种补偿方式可以在一定条件下优化总谐波失真。但是由于最小峰值电流是固定的，相当于开环补偿，补偿效果和实际的工作电流有关。实际工作电流较大，补偿效果就会变弱；实际工作电流较小，可能会导致过补偿。

有鉴于此，需要提供一种新的结构或控制方法，用于解决上述至少部分问题。

发明内容

针对现有技术中的一个或多个问题，本发明提出了一种功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路。

根据本发明的一个方面，公开了一种功率因数校正电路，所述功率因数校正电路包括：补偿电路，其输入端用以耦接升压电路中的电感以获取表征电感电流的采样峰值电流信号，用于根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号，斜坡信号的斜率与采样峰值电流信号成正相关；以及

驱动电路，其输入端耦接补偿电路的输出端，用于根据斜坡信号和表征负载大小的补偿电压输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管。

作为本发明的一实施方式，所述补偿信号通过补偿第一电流生成斜坡信号，补偿信号为电流信号，补偿信号和第一电流的电流方向都流向驱动电路的输入端。

作为本发明的一实施方式，驱动电路包括比较电路，比较电路的第一输入端接收斜坡信号，比较电路的第二输入端耦接补偿电压，比较电路的输出端耦接主开关管。

作为本发明的一实施方式，采样峰值电流信号为电压信号，补偿电路包括电压电流转换电路，电压电流转换电路用于根据采样峰值电流信号生成作为电流信号的补偿信号。

作为本发明的一实施方式，补偿信号的补偿幅度与采样峰值电流信号成反比。

作为本发明的一实施方式，所述补偿电路包括斜坡信号产生电路，所述斜坡信号产生电路包括：

第一电流源，用以输出第一电流；

斜坡电容，其第一端耦接第一电流源的输出端，其第二端耦接地；

第二电流源，其控制端用以获取采样峰值电流信号，其输出端耦接斜坡电容的第一端，用于根据采样峰值电流信号输出第二电流；

第一开关，其第一端耦接斜坡电容的第一端，其第二端耦接地；以及

非门，其输入端用以接收驱动信号，其输出端耦接第一开关的控制端。

根据本发明的另一个方面，公开了一种升压电路，所述升压电路包括电感、主开关管、二极管、输出电容和如上任一项所述的功率因数校正电路，功率因数校正电路的输出端耦接主开关管的控制端以控制主开关管的开关状态。

根据本发明的又一个方面，公开了一种功率因数校正方法，功率因数校正方法用于控制升压电路，所述功率因数校正方法包括：

获取表征电感电流的采样峰值电流信号，根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号，斜坡信号的斜率与采样峰值电流信号成正相关；以及

根据斜坡信号和表征负载大小的补偿电压输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管。

作为本发明的一实施方式，所述补偿信号通过补偿第一电流生成斜坡信号，补偿信号为电流信号，补偿信号和第一电流的电流方向都流向驱动电路的输入端。

作为本发明的一实施方式，根据采样峰值电流信号生成作为电流信号的补偿信号，以及控制补偿信号的补偿幅度与采样峰值电流信号成反比。

本发明提出了一种功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路。其中，功率因数校正电路包括补偿电路和驱动电路。补偿电路的输入端用以耦接升压电路中的电感以获取表征电感电流的采样峰值电流信号，补偿电路用于根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号，斜坡信号的斜率与采样峰值电流信号成正相关。驱动电路的输入端耦接补偿电路的输出端，驱动电路用于根据斜坡信号和表征负载大小的补偿电压输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管。本发明提出的一种功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路，可通过自适应的补偿调节，有效提升升压电路的功率因数，并能有效适用于不同的负载条件。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与说明描述一起用于解释本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了一种现有技术的升压电路的电路结构示意图；

图2示出了一种现有技术的升压电路的驱动信号PWM和电感电流IL的波形示意图；

图3示出了一种现有技术的升压电路的输入电压的波形示意图和电感电流的包络示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的升压电路的电路结构示意图；

图5示出了根据本发明一实施例的补偿原理示意图；

图6示出了根据本发明另一实施例的升压电路的电路结构示意图；

图7示出了根据本发明一实施例的补偿幅度与采样峰值电流信号的曲线关系示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。另外，在本发明中，例如第一、第二之类的词语主要用于区分一个技术特征与另一个技术特征，而并不一定要求或暗示这些技术特征之间存在某种实际的关系或者顺序。

本发明一实施例公开了一种升压电路，如图4所示，升压电路包括电感Lm、二极管D1、主开关管Q1、输出电容C1、采样电阻Rcs和功率因数校正电路100。电感Lm的第一端耦接输入电压Vin(例如桥后电压Vin)，二极管D1的阳极耦接电感Lm的第二端，输出电容C1的第一端耦接二极管D1的阴极，输出电容C1的第二端耦接地。主开关管Q1的第一端耦接电感Lm的第二端，采样电阻Rcs的第一端耦接主开关管Q1的第二端，采样电阻的第二端耦接地。在一实施例中，升压电路还包括输入电容C2，输入电容C2的第一端耦接电感Lm的第一端，输入电容C2的第二端耦接地。如图4所示的一实施例中，功率因数校正电路100包括补偿电路101和驱动电路102。补偿电路101的输入端耦接采样电阻Rcs以获得表征电感电流的采样峰值电流信号Vcs。采样峰值电流信号Vcs可表征流过电感Lm的电感电流。在一实施例中，通过采样电阻Rcs可采样获得采样峰值电流信号Vcs，采样峰值电流信号Vcs为主开关管的各开关周期内采样信号的峰值电压，该峰值电压可表征主开关管的开关周期内流过电感Lm的电感电流的峰值。补偿电路101用于根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号Vramp，斜坡信号Vramp的斜率与采样峰值电流信号成正相关。在一具体的实施例中，当采样峰值电流信号为最小值时(即对应于电感电流的波谷位置)，斜坡信号Vramp的斜率最小，此时补偿电路的补偿幅度最大；随着采样峰值电流信号逐渐增加，斜坡信号Vramp的斜率逐渐增大；当采样峰值电流信号为最大值时(即对应于电感电流的波峰位置)，斜坡信号Vramp的斜率最大，此时补偿电路的补偿幅度最小。驱动电路102的一输入端耦接补偿电路101的输出端，驱动电路102的另一输入端耦接补偿电压Vcomp，驱动电路102用于根据斜坡信号Vramp和表征负载大小的补偿电压Vcomp输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管Q1，从而控制主开关管Q1的开关动作。

在本发明的一实施例中，补偿信号通过补偿第一电流生成斜坡信号，补偿信号为电流信号，补偿信号和第一电流的电流方向都流向驱动电路的输入端。第一电流为一基准电流，在补偿电路未起到补偿作用时，通过第一电流控制生成斜坡信号。在补偿电路起补偿作用时，通过补偿信号补偿第一电流从而控制生成斜坡信号。

结合图5，在未补偿的实施例中，如图5左图所示，可以得到Ton＝Vcomp/K0。其中，Ton为主开关管Q1的导通时间；Vcomp为表征负载大小的补偿电压，即Vcomp为与负载相关的量，Vcomp随着负载大小的变化而变化；K0为升压电路的系统常数。当升压电路工作在某个固定负载下时，导通时间Ton保持不变。在本发明的一实施例中，通过补偿电路的补偿，如图5右图所示，可以得到Ton_real＝Vcomp/(K1+Rcs*Ipk*K2)。其中，Ton_real是经过补偿作用后得到的主开关管Q1的导通时间，K1为升压电路的第一系统常数，K2为升压电路的第二系统常数，Rcs为采样电阻的电阻值，Ipk为电感峰值电流，在本实施例中，电感峰值电流为流过采样电阻的峰值电流信号，电感峰值电流可表征电感电流。电感电流的波峰位置可得到最大的电感峰值电流Ipkmax，电感电流的波峰位置的导通时间Ton_real_min＝Vcomp/(K1+Rcs*Ipkmax*K2)。根据本发明的补偿方案，Ton_real和Ton_real_min的关系如下：

结合图4的一实施例可知，Vcs＝Rcs*Ipk。其中，Vcs为采样峰值电流信号，Rcs为采样电阻的电阻值，Ipk为电感峰值电流。Vcs从0到Vcsmax之间随输入电压进行线性变化，则上述的比例关系为

其中，Kton(Vcs)为补偿电路的补偿幅度，Kton(Vcs)的数值越大，补偿电路的补偿幅度越大，即补偿电路的补偿作用越大。为了进一步了解上述比例关系，在一实施例中，设定Vcsmax＝0.5V，K＝1(可略去单位)，K2＝6(可略去单位)，则可以得到图7所示的补偿幅度与采样峰值电流信号的曲线关系示意图。在本实施例中，在采样峰值电流信号为零时(对应于电感电流的波谷位置)，补偿电路的补偿幅度最大。随着采样峰值电流信号的增大，补偿电路的补偿幅度减小。当采样峰值电流信号达到最大值时，补偿电路的补偿幅度减小到最小值。在另一具体实施例中，当采样峰值电流信号达到最大值时，补偿电路的补偿幅度为零。由此可见，本发明的补偿方式具有很好的补偿连续性和自适应性，可以在不同的输入电压和不同的负载下都表现良好的补偿连续性。

在本发明另一实施例中，如图6所示，升压电路包括电感Lm、二极管D1、主开关管Q1、输出电容C1、采样电阻Rcs和功率因数校正电路200。功率因数校正电路200包括补偿电路和驱动电路。补偿电路包括斜坡信号产生电路，斜坡信号产生电路包括第一电流源I1、斜坡电容Cramp、第二电流源Ics、第一开关K1和非门。第一电流源I1用以输出第一电流I1。斜坡电容Cramp的第一端耦接第一电流源I1的输出端，斜坡电容Cramp的第二端耦接地。第二电流源Ics的控制端用以获取采样峰值电流信号Vcs，第二电流源Ics的输出端耦接斜坡电容Cramp的第一端。第二电流源Ics为压控电流源，第二电流源Ics用于根据采样峰值电流信号Vcs输出第二电流Ics。第一开关K1的第一端耦接斜坡电容Cramp的第一端，第一开关K1的第二端耦接地。非门的输入端用以接收驱动信号(即PWM信号)，非门的输出端耦接第一开关K1的控制端。在驱动信号处于第一状态(例如高电平)时，第一开关K1处于关断状态，第一电流源I1和第二电流源Ics都给斜坡电容Cramp充电，斜坡电容Cramp的第一端的端电压Vramp逐渐升高。在驱动信号处于第二状态(例如低电平)时，第一开关K1处于导通状态，可拉低斜坡电容Cramp第一端的端电压。基于以上电路，可获得补偿后的斜坡信号，从而调节主开关管Q1的导通时间Ton，进而有效减小交越失真对输入电流的影响，提升了升压电路的功率因数。

在本发明的一实施例中，如图6所示，驱动电路包括比较电路201，比较电路201的同相输入端接收斜坡信号Vramp，比较电路201的反相输入端耦接补偿电压Vcomp，比较电路201的输出端耦接主开关管的控制端。

在本发明的一实施例中，采样峰值电流信号为电压信号，补偿电路包括电压电流转换电路，电压电流转换电路用于根据采样峰值电流信号生成作为电流信号的补偿信号。通过补偿电路的补偿作用调节主开关管的开通时间。

在本发明的一实施例中，补偿信号的补偿幅度与采样峰值电流信号成反比。

在本发明的一实施例中，主开关管可以包括金属氧化物半导体场效应管、结型场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等开关管之中的一种。

本发明另一实施例公开了一种升压电路，升压电路包括电感、主开关管、二极管、输出电容和如上任一项所述的功率因数校正电路，功率因数校正电路的输出端耦接主开关管的控制端以控制主开关管的开关状态。具体的，电感的第一端耦接接收输入电压，二极管的阳极耦接电感的第二端，输出电容的第一端耦接二极管的阴极，输出电容的第二端耦接地。主开关管的第一端耦接电感的第二端，采样电阻的第一端耦接主开关管的第二端，采样电阻的第二端耦接地。

本发明又一实施例公开了一种功率因数校正方法，功率因数校正方法用于控制升压电路，以提高升压电路的功率因数。功率因数校正方法包括：获取表征电感电流的采样峰值电流信号，根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号，斜坡信号的斜率与采样峰值电流信号成正相关；以及根据斜坡信号和表征负载大小的补偿电压输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管。通过获取表征电感电流的采样峰值电流信号，并根据采样峰值电流信号进行自适应的补偿调节，可有效提升升压电路的功率因数。此外，本发明可以有效适用于不同的负载条件。

在一实施例中，功率因数校正方法具体还包括：补偿信号通过补偿第一电流生成斜坡信号，补偿信号为电流信号，补偿信号和第一电流的电流方向都流向驱动电路的输入端。

在一具体实施例中，根据采样峰值电流信号生成补偿信号的步骤具体包括：采样峰值电流信号为电压信号，根据采样峰值电流信号生成作为电流信号的补偿信号。

在另一实施例中，功率因数校正方法具体还包括：根据采样峰值电流信号生成作为电流信号的补偿信号，以及控制补偿信号的补偿幅度与采样峰值电流信号成反比。

本发明提出的一种功率因数校正电路、功率因数校正方法和升压电路，所得到的整体补偿效果平滑，且满足越接近输入电压谷底时补偿幅度越大，越远离输入电压谷底时补偿幅度越小，与实际工作所需的补偿趋势相符合。此外，本发明的技术方案为比例补偿方式，因此在不同的输入电压和不同的负载条件下都能达到较好的补偿效果。

本领域技术人员应当知道，说明书或附图所涉逻辑控制中的“高电平”与“低电平”、“置位”与“复位”、“与门”与“或门”、“同相输入端”与“反相输入端”等逻辑控制可相互调换或改变，通过调节后续逻辑控制而实现与上述实施例相同的功能或目的。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种功率因数校正电路，其特征在于，所述功率因数校正电路包括：

补偿电路，其输入端用以耦接升压电路中的电感以获取表征电感电流的采样峰值电流信号，用于根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号，斜坡信号的斜率与采样峰值电流信号成正相关；以及

驱动电路，其输入端耦接补偿电路的输出端，用于根据斜坡信号和表征负载大小的补偿电压输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管。

2.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述补偿信号通过补偿第一电流生成斜坡信号，补偿信号为电流信号，补偿信号和第一电流的电流方向都流向驱动电路的输入端。

3.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，驱动电路包括比较电路，比较电路的第一输入端接收斜坡信号，比较电路的第二输入端耦接补偿电压，比较电路的输出端耦接主开关管。

4.如权利要求2所述的功率因数校正电路，其特征在于，采样峰值电流信号为电压信号，补偿电路包括电压电流转换电路，电压电流转换电路用于根据采样峰值电流信号生成作为电流信号的补偿信号。

5.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，补偿信号的补偿幅度与采样峰值电流信号成反比。

6.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述补偿电路包括斜坡信号产生电路，所述斜坡信号产生电路包括：

第一电流源，用以输出第一电流；

斜坡电容，其第一端耦接第一电流源的输出端，其第二端耦接地；

第二电流源，其控制端用以获取采样峰值电流信号，其输出端耦接斜坡电容的第一端，用于根据采样峰值电流信号输出第二电流；

第一开关，其第一端耦接斜坡电容的第一端，其第二端耦接地；以及

非门，其输入端用以接收驱动信号，其输出端耦接第一开关的控制端。

7.一种升压电路，其特征在于，所述升压电路包括电感、主开关管、二极管、输出电容和如权利要求1-6任一项所述的功率因数校正电路，功率因数校正电路的输出端耦接主开关管的控制端以控制主开关管的开关状态。

8.一种功率因数校正方法，用于控制升压电路，其特征在于，所述功率因数校正方法包括：

获取表征电感电流的采样峰值电流信号，根据采样峰值电流信号生成补偿信号以补偿生成斜坡信号，斜坡信号的斜率与采样峰值电流信号成正相关；以及

根据斜坡信号和表征负载大小的补偿电压输出驱动信号以驱动升压电路中的主开关管。

9.如权利要求8所述的功率因数校正方法，其特征在于，所述补偿信号通过补偿第一电流生成斜坡信号，补偿信号为电流信号，补偿信号和第一电流的电流方向都流向驱动电路的输入端。

10.如权利要求8所述的功率因数校正方法，其特征在于，根据采样峰值电流信号生成作为电流信号的补偿信号，以及控制补偿信号的补偿幅度与采样峰值电流信号成反比。

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